Основные виды потерь энергии и КПД гидротурбины

Лекция 3.

Баланс энергии в гидротурбине.

Основные виды потерь энергии и КПД гидротурбины.

Процесс преобразования гидравлической энергии потока в механическую энергию на валу гидротурбины неизбежно связан с потерями энергии. Подводимая к турбине мощность потока:

N = 9,81 QН, кВт. (1)

Мощность, развиваемая турбиной (эффективная)

N_ЭФ = 9,81 QНη = N∙η, кВт. (2)

Из-за наличия потерь энергии в турбине эффективная мощность меньше подводимой. Энергетические качества турбины характеризуются ее полным КПД:

η = N_ЭФ / N, (3)

который представляет собой отношение мощности, развиваемой турбиной (эффективной мощности), к мощности подводимой (мощности
потока на входе в турбину).

Полная потеря мощности потока

Δ N = N - N_ЭФ = (1 – η) N (4)

Ее относительная величина (кси)

ξ = Δ N / N = 1 – η (5)

Величина потерь энергии зависит от типа гидротурбины, ее размеров и режима работы. Мощные реактивные гидротурбины на оптимальном режиме работы имеют КПД: η = (92 ÷ 95)%, а на режиме номинальной мощности η = (90 ÷ 92)%.

Таким образом, гидравлические турбины представляют собой совершенные первичные двигатели, однако проблема дальнейшего повышения их энергетических показателей, особенно на нерасчетных режимах, остается очень важной, так как даже небольшое увеличение КПД турбины приводит к существенному возрастанию ее мощности и выработки энергии. КПД гидроагрегата влияет на стоимость энергетического оборудования и экономичность работы всей ГЭС.

Чтобы добиться дальнейшего улучшения энергетических характеристик гидротурбины, необходимо прежде всего исследовать элементы ее проточной части с целью определения мест наибольших потерь энергии и выяснения природы их возникновения. С другой стороны, исследование потерь энергии в подобных гидравлических турбинах различных размеров имеет большое значение для уточнения методики пересчета основных показателей модели на натурную турбину. Правильное назначение параметров и режимов работы натурной гидротурбины на основании данных испытания модели позволяет обеспечить ее экономичную эксплуатацию.

В гидротурбинах различают следующие виды потерь энергии: гидравлические, объемные, дисковые и механические.

Гидравлические потери. В процессе преобразования энергии потока в энергию на валу турбины часть h располагаемого напора Н расходуется на преодоление различных гидравлических сопротивлений (трение внутри жидкости и о стенки проточной части, вихреобразования при обтекании потоком элементов проточной части и др.). В результате напор, полезно используемый турбиной, равен Н — h.

Объемные потери. В проточной части турбины не весь расход участвует в процессе преобразования энергии. Например, в реактивных гидротурбинах часть воды протекает через зазоры между вращающимся рабочим колесом и сопряженными элементами. Протечки q полезной работы не совершают и характеризуют объемные потери.

Дисковые потери. При вращении рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины часть энергии подводимого потока ΔN_Д теряется на преодоление трения наружных поверхностей ободов рабочего колеса и его уплотнений о воду, а также на вращение воды в пазухах между рабочим колесом и неподвижными элементами.

Механические потери представляют собою часть энергии ΔN_МЕХ, теряемой на преодоление трения в направляющем подшипнике гидротурбины, подпятнике (половина потерь в упорном подшипнике относится на долю генератора), уплотнениях вала, а также на привод механизмов, связанных с валом гидротурбины.

Таким образом, полезная мощность турбины с учетом перечисленных потерь:

N_ЭФ = 9,81 QНη_Г η₀ η_Д η_МЕХ (6)

где Q — расход на входе в турбинную камеру; Н — напор нетто гидротурбины.

С другой стороны, согласно общему определению турбины как первичного двигателя полезную мощность турбины можно вычислить при помощи выражения (2).

Из сопоставления выражений (2) и (6) следует, что полный КПД турбины

η = η_Г η₀ η_Д η_МЕХ

На основании вышеизложенного определяют составляющие полного КПД турбины:

· гидравлический η_Г = (Н – h) / Н

· объемный η₀ = (Q – q) / Q

· дисковый η_Д = N_ЭФ / (N_Г + ΔN_Д)

· механический η_МЕХ = N_ЭФ / (N_Г + ΔN_МЕХ)

где N_Г – гидравлическая мощность турбины, N_Г = 9,81 QНη_Г η₀.

Значения гидравлического, объемного, дискового и механического КПД зависят от типа, конструкции и быстроходности турбины, а также режима ее работы. Соотношения между различными потерями в турбине может быть представлено при помощи ее балансовой характеристики, рисунок 3.1

Рисунок 3.1. Баланс энергии быстроходной радиально-осевой турбины.